Os cientistas desenvolveram o algoritmo ACE para estudar as interações de qubits e mudanças em seu estado quântico, simplificando a computação da dinâmica quântica e abrindo caminho para avanços na computação quântica e telefonia.
A computação quântica prática é outro passo mais próximo.
Os pesquisadores introduziram um novo algoritmo chamado Compressão Automatizada de Ambientes Arbitrários (ACE), projetado para estudar as interações dos qubits com o ambiente circundante e as alterações subsequentes em seu estado quântico. Ao simplificar o cálculo da dinâmica quântica, esse algoritmo, baseado na interpretação de Feynman da mecânica quântica, oferece novas maneiras de entender e aproveitar os sistemas quânticos. Aplicações potenciais incluem avanços em telefonia quântica e computação, fornecendo previsões mais precisas sobre coerência quântica e emaranhamento.
Os computadores convencionais usam qubits, representados por zeros e uns, para transmitir informações, enquanto os computadores quânticos usam bits quânticos (qubits). Semelhante aos bits, os qubits têm dois estados ou valores principais: 0 e 1. No entanto, ao contrário de um bit, um qubit pode existir em ambos os estados ao mesmo tempo.
Embora isso possa parecer uma ironia desconcertante, pode ser explicado por uma simples analogia com uma moeda. Um bit clássico pode ser representado como uma moeda estendida com cara ou coroa (um ou zero) voltada para cima, enquanto um qubit pode ser pensado como uma moeda girando, que também tem cara e coroa, mas se é cara ou coroa pode ser determinado assim que parar de girar, ou seja, perder seu estado original.
Quando uma moeda girando para, pode servir como uma analogia para uma analogia quântica, na qual um dos dois estados de um qubit é determinado. em estatísticas quantitativas, diferentes qubits devem ser vinculados, por exemplo, os estados 0(1) de um qubit devem ser exclusivamente associados aos estados 0(1) de outro qubit. Quando os estados quânticos de dois ou mais objetos se tornam interconectados, isso é chamado de emaranhamento quântico.
Desafio do emaranhamento quântico
A principal dificuldade com a computação quântica é que os qubits são cercados por um ambiente e interagem com ele. Essa interação pode fazer com que o emaranhamento quântico de qubits se deteriore, fazendo com que eles se separem uns dos outros.
A semelhança de duas moedas pode ajudar a entender esse conceito. Se duas moedas idênticas forem giradas ao mesmo tempo e depois desligadas, elas podem acabar com o mesmo lado para cima, seja cara ou coroa. Essa sincronização entre moedas pode ser comparada ao emaranhamento quântico. No entanto, se as moedas continuarem girando por um longo período de tempo, elas acabarão perdendo a sincronização e não ficarão mais com o mesmo lado – cara ou coroa – voltado para cima.
A perda de sincronia ocorre porque as moedas que giram perdem energia gradativamente, principalmente devido ao atrito com a mesa, e cada moeda faz isso de uma forma única. No reino quântico, o atrito ou a perda de energia devido à interação com o ambiente acaba levando à decoerência quântica, o que significa uma perda de sincronização entre os qubits. Isso resulta na defasagem dos qubits, na qual a fase do estado quântico (representado pelo ângulo de rotação da moeda) muda aleatoriamente ao longo do tempo, causando perda de informação quântica e impossibilitando a computação quântica.
A representação efetiva é determinada de forma totalmente automática e não é baseada em quaisquer aproximações ou suposições preconcebidas. Crédito: Alexei Vagov
Coerência e dinâmica quântica
O principal desafio que muitos pesquisadores enfrentam hoje é manter a coerência quântica por períodos mais longos. Isso pode ser alcançado descrevendo com precisão a evolução de um estado quântico ao longo do tempo, também conhecido como dinâmica quântica.
Cientistas do MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials, em colaboração com colegas da Alemanha e do Reino Unido, propuseram um algoritmo chamado Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) como uma solução para estudar a interação de qubits com seu ambiente e as mudanças resultantes em seu estado quântico ao longo do tempo.
Uma visão sobre a dinâmica quântica
“O número quase infinito de modos de vibração ou graus de liberdade no ambiente torna a computação da dinâmica quântica particularmente difícil. Na verdade, esta tarefa envolve o cálculo da dinâmica de um único sistema quântico cercado por trilhões de outros. O cálculo direto é impossível neste caso, como nenhum computador pode lidar com isso.
No entanto, nem todas as mudanças no ambiente têm o mesmo significado: aquelas que ocorrem a uma distância suficiente do nosso sistema quântico são incapazes de afetar sua dinâmica de maneiras importantes. A divisão em graus de liberdade ambientais ‘relevantes’ e ‘irrelevantes’ está na base do nosso método”, diz Alexei Vagof, coautor do artigo e diretor do MIEM HSE Center for Quantitative Metamaterials.
Interpretação de Feynman e o algoritmo ACE
De acordo com a interpretação da mecânica quântica proposta pelo famoso físico americano Richard Feynman, calcular o estado quântico de um sistema envolve calcular a soma de todas as maneiras possíveis pelas quais o estado pode ser alcançado. Esta explicação assume que uma partícula quântica (o sistema) pode se mover em todas as direções possíveis, incluindo para frente ou para trás, para a direita ou para a esquerda e até mesmo para trás no tempo. As probabilidades quânticas de todas essas trajetórias devem ser somadas para calcular o estado final da partícula.
O problema é que existem muitas trajetórias possíveis até mesmo para uma única partícula, sem falar em todo o ambiente. Nosso algoritmo permite considerar apenas os caminhos que contribuem significativamente para a dinâmica do qubit, eliminando aqueles que são insignificantes. Em nosso método, a evolução do qubit e seu ambiente são capturados por tensores, que são matrizes ou tabelas de números que descrevem o estado de todo o sistema em diferentes pontos no tempo. Em seguida, selecionamos apenas as partes dos tensores que são relevantes para a dinâmica do sistema”, explica Alexey Vagoff.
Conclusão: Implicações do algoritmo ACE
Os pesquisadores afirmam que o algoritmo de compressão automatizado para ambientes arbitrários está disponível publicamente e implementado como código de computador. Segundo os autores, abre possibilidades completamente novas para o cálculo preciso da dinâmica de múltiplos sistemas quânticos. Em particular, este método permite estimar o tempo até o emaranhamento Fóton Pares em linhas de telefonia quântica ficarão desembaraçados, que é o quão longe uma partícula quântica pode se teletransportar, ou quanto tempo pode levar para os qubits de um computador quântico perderem a coerência.
Referência: “Simulation of Open Quantum Systems by Automated Compression of Random Environments” Por Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling e Eric M. Guger, 24 de março de 2022, Disponível aqui. física da natureza.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9
